双极板流场中的流动通道的分叉制造技术

提供了一种用于燃料电池的双极板，所述双极板包括具有活性表面的流场，所述流场具有入口区域和出口区域。所述流场的所述活性表面与所述入口区域和所述出口区域连通且具有在所述活性表面中形成的至少一条流动通道。所述至少一条流动通道进一步地在所述出口区域处具有比在所述入口区域处的剖面面积更小的剖面面积。在特定实施例中，所述至少一条流动通道是分叉的。还提供了一种包括燃料电池和所述双极板的燃料电池堆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的披露内容涉及燃料电池系统，且更特别地，本专利技术的披露 内容涉及一种在燃料电池堆的双极板中形成的流场，
技术介绍
燃料电池已被提出作为用于电动车辆和其它各种应用的一种清 洁、高效且对环境负责的动力源。燃料电池的一种实例是质子交换膜(PEM)燃料电池。质子交换膜燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所 述膜电极组件通常包括薄的固体聚合物膜电解质，所述薄的固体聚合 物膜电解质具有位于膜电解质的两面上的催化剂和电极，膜电极组件通常包括多孔传导材料，所述多孔传导材料还已公知 地被称作气体扩散介质，所述气体扩散介质将反应剂分布在电极层的 表面上。燃料如氢气被引导在阳极处，在所述阳极处，所述燃料在存 在催化剂的情况下进行电化学反应从而产生电子和氢阳离子。电子通 过设置在阳极与阴极之间的电路而从阳极被传导至阴极。同时，氢阳 离子通过电解质到达阴极，在所述阴极处，氧化剂如氧或空气在存在 电解质和催化剂的情况下进行电化学反应从而产生氧阴离子。氧阴离子与氢阳离子进行反应从而形成了作为反应产物的水。膜电极組件通常被插置在一对导电接触元件或双极板之间以便完 成单个质子交换膜燃料电池。双极板用作阳极和阴极的集电器，且具 有在其中形成的用于将燃料电池的气体反应物(即Hz和02/空气)分布 在相应的电极的表面上的适当流动通道和开口 。可通过将两块单极板 连结在一起而组装双极板，所述单极板具有在其上形成的流分布场。 通常情况下，双极板还包括入口集管和出口集管，当所述入口集管和 出口集管在燃料电池堆中被对齐时，所述入口集管和出口集管形成了用于分别将燃料电池的气体反应剂和液体冷却剂引导至多个阳极和阴 极并且用于分別将所述气体反应剂和液体冷却剂从所述多个阳极和阴极引导出来的内部供应歧管和排出歧管，正如本领域众所周知地，燃料电池内的膜需要具有一定的相对湿度以便将穿过膜的离子阻力保持在所需范围内从而有效地传导质子。 在燃料电池的运行过程中，来自膜电极组件和外部湿化装置的湿气可 进入阳极流动通道和阴极流动通道。通常情况下，湿气会在气体反应 剂的压力作用下沿流动通道受力，且该压力是从流动通道中进行除水 的主要机理。然而，如果压力不足，则水可能在一种已公知地被称作 滞流的现象中进行积聚。滞流的水可能阻塞流动通道并且降低燃料电 池的总效率。水的积聚还可能导致阳极电极和阴极电极的腐蚀速率更 高并且导致在冷冻条件下的耐久性更差。高度的水积聚或滞流可能会 导致燃料电池失效。考虑到产生水滞流的潜在可能性，在设计燃料电池的过程中，供 应歧管与排出歧管之间以及相邻的流动通道之间或者相同的流动通道 的部段之间速度的降低是很重要的考虑因素.沿从反应剂入口至出口 的流场，气体反应剂的分压随着反应剂在燃料电池反应中的消耗而降 低。特别地，在阳极流场上，由于在燃料电池运行过程中发生了氢的 消耗，因此使得供应歧管与排出歧管之间速度的降低尤其成为问题.此外，在阳极上使用的氢不如02/空气那么密集且阳极上的化学计量比要低于阴极上的化学计量比，这两种情况都使得进一步妨碍了在阳极 流场上进行的除水。将水滞流减至最小程度是可能的，所述将水滞流减至最小程度例 如是通过用处于更高流速下的反应剂气体对通道进行周期性吹扫或者 通过具有大体上更高的反应剂再循环速率而实现的。然而，在膜电极 组件的阴极上，这增加了被施加到空气压缩机上的寄生功率并且降低 了总的系统效率。此外，由于上述原因而使得并不希望将氢气用作膜 电极组件的阳极上的吹扫气体，将氬用作膜电极组件的阳极上的吹扫 气体可能导致降低经济性、导致系统效率更差并且增加系统复杂性.还可通过减轻入口湿化而减少通道中积聚的水.然而，需要在阳 极反应剂和阴极反应剂中提供至少 一些相对湿度以便使燃料电池膜水 化。干燥的入口气体对于膜电解质产生了干燥效应且可能会增加燃料 电池的离子阻力。该方法还对膜电解质的长期耐久性产生了负面影响。具有抑制了流动通道中特别是阳极流动通道中的水滞流的流场的 双极板仍然是所需要的.所希望的是，该流场还使得实现了优化的电 流密度、减轻了电极腐蚀并且使得在燃料电池的运行过程中燃料电池的稳定性和冷冻性能(freeze capability)最大化。
技术实现思路
根据本专利技术的披露内容，令人惊讶地开发了一种双极板，所迷双极 板具有流场，所述流场抑制了水滞流，由此使得实现了优化的电流密 度、减轻了电极的碳腐蚀并且使得燃料电池的稳定性和冷冻性能最大 化。在一个实施例中， 一种用于燃料电池的双极板包括具有活性表面的 流场，所述流场具有入口区域和出口区域。所述活性表面与所述入口区 域和所述出口区域连通并且具有在所述活性表面中形成的至少一条流 动通道。所述至少一条流动通道在所述出口区域处具有比在所述入口区 域处的剖面面积更小的剖面面积，在另一实施例中，用于燃料电池的所述双极板包括被连续分叉的多 条流动通道，其中与所述入口区域连通的流动通道的数量比与所述出口 区域连通的流动通道的数量更多。在又一实施例中，用于燃料电池的所述双极板具有沿所述活性表面 的长度交替地分叉和合并的多条流动通道。进一步提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有至少一个燃料 电池，所迷至少一个燃料电池具有被设置在一对双极板之间的膜电极组 件。每块双极板具有入口区域和出口区域，且进一步包括抑制了从所述 入口区域至所述出口区域的气体反应剂流速的降低的流场。附图说明通过下面的详细描述，特别是当结合下文所示的附图进行考虑时， 本领域的技术人员将易于理解本专利技术的披露内容的上述优点以及其它 优点。图1示出了质子交换膜燃料电池堆(图中仅示出了两个电池)的示 意性分解透视图；图2是用于质子交换膜燃料电池堆中的由一对单极板组装而成的 示例性双极板的分解透视图；图3是具有分叉的流动通道和合并的流动通道的双极板流场的顶部平面图；图4是具有连续分叉的流动通道的双极板流场的顶部平面图； 图5是具有偏移的分叉的流动通道和合并的流动通道的双极板流 场的顶部平面图；和图6是图5所示的流场的一部分的局部顶部平面图。具体实施方式下面的描述在本质上仅是示例性的且并不旨在限制本专利技术的披露 内容及其应用或使用。还应该理解在所有附图中，相应的附图标记表 示相似或相应的部件和特征。为简便起见，下文仅对由两个电池构成的燃料电池堆(即一块双极 板)进行了图示和描述，但应该理解典型的燃料电池堆中将具有更多 的这种电池和双极板。图1示出了具有一对膜电极组件(MEA) 4、 6的由两个电池构成的 质子交换膜燃料电池堆2，所述一对膜电极组件通过导电流体分布元件 8而彼此隔开，所述导电流体分布元件在下文被称作双极板8。膜电极 组件4、 6和双极板8在端板10、 12之间且在端部接触元件14、 16之 间被叠置在一起。端部接触元件14、双极板8的两个活性表面以及端部 接触元件16分别包含用于将燃料如&和氧化剂气体如02分布到例如膜 电极组件4、 6上的多条流动路径或流动通道18、 20、 22、 24。不导电 垫團26、 28、 30、 32提供了燃料电池堆2的部件之间的密封和电绝缘。膜电极组件4、 6的电极34、 36、 38、 40通常例如由气体可透过的 传导材料如碳/石墨扩散纸或扩散介质形成。电极34、 36本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的双极板，所述双极板包括：　　　　包括活性表面的流场，所述流场具有入口区域和出口区域，所述活性表面与所述入口区域和所述出口区域连通且具有在所述活性表面中形成的至少一条流动通道，所述至少一条流动通道在所述出口区域处具有比在所述入口区域处的剖面面积更小的剖面面积。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：TW蒂赫，JP奥维彦，DJ达加，PA拉帕波特，JA罗克，TA特拉波德，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]